CN101789730A - 一种基于磁流变脂的电动机软启动装置 - Google Patents

Abstract

一种基于磁流变脂的电动机软启动装置，主要分为输入力矩组件和输出力矩组件，输入力矩组件和输出力矩组件之间通过磁流变脂相耦合。输入力矩组件包括输入力矩转轴和其上设置的剪切环，输出力矩组件包括工作缸、输出力矩转轴和磁性通道环，利用磁流变脂具有在磁场的作用下磁流变脂的粘度系数发生改变，磁流变脂传力特性随之改变的特性，将磁流变脂作为电动机向负载进行力矩传递的介质，并利用励磁线圈产生的励磁磁场和磁性通道环产生的永磁磁场的合磁场，作为对磁流变脂作用的磁场，磁场大小由励磁电流来控制。本发明的电动机软启动装置在正常工作后由于磁流变脂接近固化，因此具有力矩传递率大的特点，有效避免了运行过程中的转速丢失。

Description

一种基于磁流变脂的电动机软启动装置

技术领域

本发明涉及一种电机动力传动装置，关于一种用于输送机、提升机等大功率重载设备的基于磁流变脂的电动机软启动装置。

背景技术

机械设备软启动是指动力机械在启动时断开负荷，动力机械运行正常后逐步施加负载缓慢平稳地启动。软启动技术对于机械传动系统而言，可保证在启动过程中作用在机械设备上的冲击能量最小，延长动力机械及其它工作机构的使用寿命，因此对于大功率重载设备非常必要。目前软启动技术应用于矿山或港口码头的大型提升机和输送机，工程设备的挖掘机、牵引机和起重机等。

液力启动方式一般包括液力耦合软启动和液体粘性软启动。现有的液力耦合器利用液体来传递能量，泵轮在发动机的带动下转动，将机械能转化为液体的动能，液体将能量传递给涡轮，涡轮带动从动轴转动。液力耦合器的能量传递效率低，特别在低速时，有近75％的能量被浪费，同时大容量的设备还须额外增加水冷系统，以降低在能量转换中产生的热能。液体粘性软启动器利用在主、从动轮摩擦片之间的油膜的粘性剪切作用力来传递动力。液体粘性软启动器在一定范围内能够实现主、从动轴之间的无极调速和同步运行，能对传动系统进行过载保护，但是电动机的动力通过粘性转矩作用在负载上，而不是真正的空载启动。当电动机处于负载启动状态，负载惯性较大而电动机转子的转速因负载惯性跟不上去，结果使过载电流大、电流冲击时间长，出现短时电流冲击现象。液体粘性软启动器的传动效率低，功率损失大、发热严重、且装置复杂、制造和维护的成本较高。

发明内容

本发明针对现有软启动方式存在的不足，提出一种控制方法简单、力矩传递效率可调的基于磁流变脂的电动机软启动装置。本发明的主电机使用电网电压，不存在电压切换时出现的短时电流冲击的问题，同时设备结构简单易于实现，制造和维护成本低廉。本发明的电动机软启动传动装置可广泛用于输送机、提升机等大功率重载设备，使电动机主电机启动电流小于额定电流的条件下实现软启动。

本发明的技术方案如下：

一种电动机软启动装置，其特征在于：它包括外壳、工作缸、励磁线圈、输入力矩转轴和输出力矩转轴；其中所述工作缸设置在外壳内且与外壳同轴，并可相对外壳转动；工作缸外侧壁与外壳内侧壁之间设置励磁线圈；所述输入力矩转轴和输出力矩转轴均设置在外壳与工作缸的轴线上，输入力矩转轴一端连接电动机的转子，输入力矩转轴另一端穿过外壳一端面和工作缸一端面到达工作缸的内部，所述输入力矩转轴与外壳和工作缸转动连接；输出力矩转轴一端固定在工作缸另一端面外部且与外壳转动连接，输出力矩转轴另一端穿过所述外壳连接负载；工作缸内侧壁上纵向间隔设置多个径向伸入的磁性通道环，将工作缸内腔分为多个连通的舱室；所述工作缸内填充磁流变脂；所述工作缸整体密封在所述外壳内。

所述磁性通道环为永磁体。

所述磁性通道环通过内花键设置在所述工作缸内侧壁上。

所述输入力矩转轴与所述工作缸和外壳均通过滚动轴承连接，所述输出力矩转轴与所述外壳通过滚动轴承连接。

每个所述舱室内设置一片状剪切环，所述剪切环与所述输入力矩转轴固定。

所述剪切环通过外花键设置在所述输入力矩转轴上。

所述工作缸外侧壁与外壳内侧壁之间设置有隔离板，所述隔离板与所述外壳内侧壁之间的圆筒形空腔内周向缠绕所述励磁线圈。

所述工作缸另一端面的内侧面上设置有盲孔，所述输入力矩转轴另一端的末端置入该盲孔内。

所述工作缸另一端面的外侧面设置有凸出部，所述凸出部中心设置有凸出部孔，所述输出力矩转轴一端固定在该凸出部孔内。

所述输入力矩转轴、输出力矩转轴和工作缸侧壁采用非导磁材料，所述外壳、两工作缸端面、剪切环采用导磁材料。

本发明的技术效果如下：

本发明的基于磁流变脂的电动机软启动装置主要分为输入力矩组件和输出力矩组件，输入力矩组件和输出力矩组件之间通过磁流变脂相耦合。输入力矩组件包括输入力矩转轴和其上设置的剪切环，输出力矩组件包括工作缸、输出力矩转轴和磁性通道环，利用磁流变脂具有在磁场的作用下磁流变脂的粘度系数发生改变，磁流变脂传力特性随之改变的特性，将磁流变脂作为电动机向负载进行力矩传递的介质，并利用励磁线圈产生的励磁磁场和磁性通道环产生的永磁磁场的合磁场，作为对磁流变脂作用的磁场，磁场大小由励磁电流来控制。在电机启动时，调节励磁电流使作用于磁流变脂的合磁场减小，磁流变脂的粘度系数降低，从而降低电机负荷便于启动电机；当电机正常工作以后，逐渐减小励磁电流使作用于磁流变脂的合磁场逐渐增大，磁流变脂的粘度系数增大，使力矩传递效率增大，电机正常工作后的输出力矩得以正常传递。同时利用永磁使得本装置在正常使用条件下不需要外加能源，起到节能作用。与现有通过液力耦合的软启动装置相比，本发明的电动机软启动装置在正常工作后由于磁流变脂接近固化，因此具有力矩传递率大的特点，有效避免了运行过程中的转速丢失；并且这种基于磁流变脂的软启动装置的发动机工作在电网电压下，不会存在变频软启动中短时电流冲击。

本发明通过设置在输入力矩转轴上的剪切环来剪切磁流变脂，当磁流变脂的粘度系数加大时，增加了工作缸中的整体性，更好地带动工作刚旋转实现输入力矩的传递。同时由导磁材料做成的剪切环可增加磁通面积，从而增加磁场对磁流变脂阻尼系数的控制。

由于磁流变脂比磁流变液能提供更大的剪切屈服应力，且在离心力作用下不会发生沉降与板结，因此利用磁流变脂作为传力介质不会出现载体与可磁化粒子分离现象。

本发明由于在工作缸外侧壁与外壳内侧壁之间设置隔离板，将励磁线圈限制在隔离板的范围之中，避免工作缸在轴向运动中受到励磁线圈的影响，保证力矩的传递效率。本发明由于在工作缸另一端面的外侧面设置有凸出部及凸出部孔，增强了输出力矩转轴在工作缸另一侧面的外侧面上的稳定性，避免在工作状态下输出力矩转轴左右移动，导致事故发生。

附图说明

图1是本发明电动机软启动传动装置的结构示意图

其中，1-外壳；11-外壳一端面；12-外壳另一端面；2-工作缸；21-工作缸一端面；22-工作缸另一端面；3-输入力矩转轴；4-输出力矩转轴；5-隔离板；6-励磁线圈；7-滚动轴承；8-垫片；9-密封圈；10-磁性通道环；13-剪切环。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行说明。

如图1所示，本发明主要包括外壳1、工作缸2、输入力矩转轴3、输出力矩转轴4，磁流变脂封闭于工作缸2中。外壳1为一圆柱形中空密封体，工作缸2为设置在外壳1内部且与外壳1同轴的圆柱形中空密封体，工作缸2的外侧壁与外壳1的内侧壁之间存在间距。外壳1的内侧壁与工作缸2的外侧壁之间设置隔离板5，隔离板5与外壳1的内侧壁之间的圆筒形空腔内周向缠绕励磁线圈6。工作缸2可在隔离板5与外壳1形成的腔体中自由转动。

输入力矩转轴3设置在外壳1与工作缸2的轴线上，一端伸出外壳1，与电动机的转子连接；另一端穿过外壳一端面10与工作缸一端面21，经过工作缸2的内腔，其末端通过滚动轴承7设置于工作缸另一端面22内侧面上设置的盲孔中。输入力矩转轴3通过两滚动轴承7分别与外壳一端面11和工作缸一端面21转动连接，两滚动轴承7之间刚性分隔。用一垫片8抵住设置在外壳端面10与输入力矩转轴3之间的滚动轴承7，并在垫片8和外壳端面10之间加防松螺钉固定，以防止滚动轴承7相对输入力矩转轴3滑动。输出力矩转轴4也设置在外壳1和工作缸2的轴线上，工作缸另一端面22的外侧面上设置一凸出部，凸出部中心有一凸出部孔，输出力矩转轴4一端固定在突出部孔内，另一端穿过外壳另一端面12连接负载。输出力矩转轴4另一端在凸出部孔中的位置与输入力矩转轴3在工作缸另一端面22内侧面盲孔中的位置相对应。工作缸另一端面22外台阶状突出部的外侧面通过滚动轴承7与外壳另一端面12转动连接，用一垫片8抵住设置在外壳另一端面12与工作缸另一端面22之间的滚动轴承7，并在垫片8和外壳另一端面12之间加防松螺钉固定，以防止滚动轴承7相对工作缸2滑动。输入力矩转轴3与外壳一端面10上垫片8的接缝处，以及输出力矩转轴4与外壳另一端面12的接缝处均设置O型密封圈9，以保证外壳1内部的整体密封。

N个中空的磁性通道环10通过内花键间隔设置在工作缸2的内侧壁上，将工作缸2的内腔分隔成N+1个舱室，每个舱室内设置一个片状的剪切环13，所有的剪切环13的中心部分均通过外花键间隔设置在输入力矩转轴3上，剪切环13与相邻的磁性通道环10之间留有轴向间距，剪切环13可在输入力矩转轴3的带动下，在舱室中做圆周运动。本实施例中的输入力矩转轴3、输出力矩转轴4、工作缸2的侧壁采用非导磁材料制作，以增大磁阻；外壳1、工作缸2的两端面、剪切环13采用低碳钢的导磁材料，外壳1的侧壁、工作缸2的两端面、剪切环13与磁流变脂形成磁通回路；磁性通道环10为永磁材料制成的永磁体，可为工作缸2内部提供原始磁场。

综上所述，输入力矩转轴3和剪切环13组成的输入力矩组件固定连接，工作缸2、输出力矩转轴4和磁性通道环10组成的输出力矩组件固定连接。输入力矩转轴3接受电动机转子输出的力矩，带动剪切环13剪切工作缸2中的磁流变脂。由于磁流变脂的粘性和摩擦力的作用而带动输出力矩组件转动，工作缸2通过带动将力矩传递到输出力矩转轴4，由输出力矩转轴4连接负载。

当励磁线圈6内不通电时，只有磁性通道环10提供的原始磁场对磁流变脂发生作用，使得工作缸2中的磁流变脂处于类固体状态，传力特性随之增大，从而通过工作缸2带动输出力矩转轴4转动，实现电机的软启动。当软启动装置的励磁线圈6内通过控制系统输入的时，励磁线圈6产生的励磁磁场与磁性通道环10产生的原始磁场方向相反，随着电流的增大励磁磁场增加，励磁磁场逐渐与原始磁场抵消。当电流到达某一定值时，励磁磁场和原始磁场大小刚好抵消，则工作缸2中的磁场为零；此时磁流变脂中由于没有磁场的作用，处于粘度系数几乎为零的自由流动状态，则传递力矩的作用很小，几乎可以忽略，因此不能通过工作缸2带动输出力矩转轴4转动，力矩传递效率极低。随着励磁线圈6内电流的逐渐减小，作用于磁流变脂的原始磁场逐渐增加，磁流变脂的粘度系数随着其中磁场的增加而增大，越来越接近与固体的性质，具有逐渐增强的粘性和摩擦力，力矩传递效率也逐渐增加。

本实施例中励磁线圈6的励磁电流由控制系统控制，根据所需要的电动机转速和现有电动机转速之间的差值来决定是增加励磁电流还是减小励磁电流。当电动机现有转速低于需要的转速时，需要较高的传递率，则减小励磁电流；而当电动机现有转速高于需要的转速时，需要较低的传递率，则增大电流。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。

Claims (10)

1.一种电动机软启动装置，其特征在于：它包括外壳、工作缸、励磁线圈、输入力矩转轴和输出力矩转轴；其中所述工作缸设置在外壳内且与外壳同轴，并可相对外壳转动；工作缸外侧壁与外壳内侧壁之间设置励磁线圈；所述输入力矩转轴和输出力矩转轴均设置在外壳与工作缸的轴线上，输入力矩转轴一端连接电动机的转子，输入力矩转轴另一端穿过外壳一端面和工作缸一端面到达工作缸的内部，所述输入力矩转轴与外壳和工作缸转动连接；输出力矩转轴一端固定在工作缸另一端面外部且与外壳转动连接，输出力矩转轴另一端穿过所述外壳连接负载；工作缸内侧壁上纵向间隔设置多个径向伸入的磁性通道环，将工作缸内腔分为多个连通的舱室；所述工作缸内填充磁流变脂；所述工作缸整体密封在所述外壳内。

2.如权利要求1所述的一种电动机软启动装置，其特征在于：所述磁性通道环为永磁体。

3.如权利要求2所述的一种电动机软启动装置，其特征在于：所述磁性通道环通过内花键设置在所述工作缸内侧壁上。

4.如权利要求1所述的一种电动机软启动装置，其特征在于：所述输入力矩转轴与所述工作缸和外壳均通过滚动轴承连接，所述输出力矩转轴与所述外壳通过滚动轴承连接。

5.如权利要求1所述的一种电动机软启动装置，其特征在于：每个所述舱室内设置一片状剪切环，所述剪切环与所述输入力矩转轴固定。

6.如权利要求5所述的一种电动机软启动装置，其特征在于：所述剪切环通过外花键设置在所述输入力矩转轴上。

7.如权利要求1所述的一种电动机软启动装置，其特征在于：所述工作缸外侧壁与外壳内侧壁之间设置有隔离板，所述隔离板与所述外壳内侧壁之间的圆筒形空腔内周向缠绕所述励磁线圈。

8.如权利要求1所述的一种电动机软启动装置，其特征在于：所述工作缸另一端面的内侧面上设置有盲孔，所述输入力矩转轴另一端的末端置入该盲孔内。

9.如权利要求1所述的一种电动机软启动装置，其特征在于：所述工作缸另一端面的外侧面设置有凸出部，所述凸出部中心设置有凸出部孔，所述输出力矩转轴一端固定在该凸出部孔内。

10.如权利要求1-9之一所述的一种电动机软启动装置，其特征在于：所述输入力矩转轴、输出力矩转轴和工作缸侧壁采用非导磁材料，所述外壳、两工作缸端面、剪切环采用导磁材料。